Đề tài Tìm hiểu thiết kế bộ nạp ác quy tự động ổn dòng và ổn áp

Trang 1 Đề tài 8 thiết kế bộ nạp ác quy tự động ổn dòng và ổn áp Đề bài Thiết kế nguồn nạp ác quy . Bộ nguồn phải đảm bảo hai chế độ nạp: nạp ổn định dòng điện và nạp ổn điện áp . Khi ác quy đã đầy phải ngắt nguồn nạp : Uđm = 16 -28 V Iđm = 100 A Imin = 10 A . Trang 2 Lời nói đầu Tự động hóa đã phát triển và mang lại những ứng dụng vô cùng to lớn cho sự phát triển tất cả các ngành kĩ thuật của thế giới.Tuy nhiên,ở n−ớc ta nó mới đ−ợc ứng dụng và phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây.Nó giúp n−ớc ta phát triển để tiến tới trở thành một n−ớc Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa. Bởi vậy tự động hóa đ−ợc nghiên cứu ở tất cả các ngành kĩ thuật trong tr−ờng nói chung và ngành tự động hóa nói riêng Ngày nay hầu nh− tất cả các máy móc thiết bị trong công nghiệp cũng nh− trong đời sống hàng đều phải sử dụng điện năng , phần lớn các thiết bị đều sử dụng điên l−ới ,Tuy nhiên thực tế có những lúc rất cần năng l−ợng điện mà ta không thể lấy năng l−ợng điện từ l−ới điện đ−ợc. Do đó ta phải lấy các nguồn điện dự trữ nh− ác quy,hơn nữa ác qui đ−ợc sử dụng nhiều trong công nghệ ô tô,xe máy …. Do vậy mà việc có một công nghệ nạp ác qui tối −u là rất cần thiết và quan trọng .Trong đồ án này, em đ−ợc giao thiết kế bộ nạp ác qui.Trong quá trình làm chúng em luôn đ−ợc sự giúp đỡ ,chỉ bảo hết sức tận tình của thầy PHẠM QUỐC HẢI,nhờ có thầy chỉ dẫn mà em hoàn thành đồ án một cách tốt nhất.Tuy nhiên do có hạn chế về mặt kiến thức nên em không thể tránh khỏi những thiếu sót Em xin cám ơn tất cả các thầy cô trong ngành tự động hóa đã cho chúng em đ−ợc làm đồ án đầy bổ ích này ,đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy PHẠM QUỐC HẢI ,ng−ời luôn tận tình giúp đỡ và h−ớng dẫn chúng em.Em xin chân thành cảm ơn Hà Nội ngày 20 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện Phạm văn Luyện Trang 3 Ch−ơng I Giới thiệu chung về ác qui I. Khái quát chung về cấu tạo và nguyên lý làm việc của ác qui Ác qui là nguồn điện hoá hoạt động trên cơ sở hai điện cực có điện thế khác nhau,dùng để tích trữ điện năng , cung cấp dòng một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng nh− trong dân dụng. Có nhiều loại ác qui nh−ng phổ biến là hai loại acqui: ác qui axit (ác qui chì) và ác qui kiềm.Tuy nhiên ác qui axít đ−ợc sử dụng rộng rãi và phổ biến hơn vì so với ác qui kiềm thì ác qui axít có: + Sức điện động cao(2V),sụt áp trong quá trình phóng nhỏ + Điện trở trong nhỏ + Giá thành của ác qui axit rẻ hơn so với acqui kiềm. Trong đồ án này em ác qui axit để nghiên cứu công nghệ và thiết kế nguồn nạp acqui tự động. 1. Cấu tạo của ác qui axit Bình ác qui axit gồm vỏ bình, các bản cực, các tấm ngăn và dung dịch điện phân. 1.1. Vỏ bình Vỏ bình ác qui axit đ−ợc chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc anphantơpéc hay cao su nhựa cứng. Bên trong bình lót một lớp chịu axit là polyclovinyl để tăng tuổi thọ của bình Phía trong vỏ bình chia thành các ngăn riêng biệt. Mỗi ngăn đ−ợc gọi là một ngăn ác qui đơn, trong đồ án này, nghiên cứu ác qui chì với điện áp danh định là 14V có bẩy ngăn ác qui đơn. Trang 4 1.2. Bản cực Bản cực gồm cốt hình l−ới đ−ợc đúc bằng hợp kim chì (Pb) - antimon (Sb) với tỷ lệ (87 ữ 95)% Pb - (5 ữ 13)% Sb và chất tác dụng. Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng độ cứng, giảm han gỉ và cải thiện tính đúc cho cốt. Cốt để giữa chất tác dụng để phân khối dòng điện khắp bề mặt bản cực ,có vấu để hàn nối các bản cực thành phần thành khối bản cực Bản cực âm chất tác dụng đ−ợc chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc và khoảng 3% các muối của axit hữu cơ ,các bản cực d−ơng chất tác dụng đ−ợc chế tạo từ các ôxít chì Pb3O4, PbO và dung dịch axit sunfuric đặc. Phụ gia muối của axit hữu cơ trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, cải thiện đ−ợc độ thấm sâu của dung dịch điện phân, gia tăng phản ứng hoá học trong bản cực Những bản cực cùng tên đ−ợc hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và đ−ợc hàn nối ra tải tiêu thụ. Nếu muốn tăng dung l−ợng của ác qui thì phải tăng số tấm bản cực mắc song song ,muốn tăng điện áp danh định của ác qui thì tăng số tấm bản cực mắc nối tiếp. 1.3. tấm ngăn các bản cực âm và d−ơng đ−ợc lắp xen kẽ và cách điện với nhau bởi các tấm ngăn Các tấm ngăn phải là chất cách điện tốt ,bền dẻo,xốp ,chụi axít để chống chập mạch giữa các bản cực âm và d−ơng, đồng thời đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng acqui. 1.4. Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân là dung dịch axit sunfuric (H2SO4) đ−ợc pha chế từ axit nguyên chất với n−ớc cất tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu và vật liệu làm tấm ngăn. Nồng độ dung dịch axit sunfuric Trang 5 γ = (1,1 →1,3) g/cm3 và có ảnh h−ởng lớn đến sức điện động của ác qui. Nhiệt độ môi tr−ờng có ảnh h−ởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân. Trong điều kiện khí hậu n−ớc ta thì mùa hè chọn nồng độ dung dịch từ(2,5-2,6) g/cm3, mùa đông chọn nồng độ khoảng 1,27 g/cm3. Vì nồng độ quá cao sẽ làm chóng hỏng tấm ngăn, bản cực dễ bị sunfat hoá. Nồng độ quá thấp làm điện dung và điện áp định mức của acqui giảm 1.5. Nắp và cầu nối Nắp làm bằng nhựa êbônit hoặc bằng bakêlit,trên nắp có lỗ để đổ và kiểm tra dung dịch điện phân Cầu nối th−ờng làm bằng chì, dùng để nối các ngăn ác quy đơn với nhau 2. Quá trình biến đổi hoá học trong ác qui Trong ác qui th−ờng xảy ra hai quá trình hoá học thuận nghịch đặc tr−ng cho quá trình nạp và phóng điện. Khi ác qui đã nạp no, chất tác dụng ở các bản cực d−ơng là PbO2 còn ở bản cực âm là chì xốp Pb. Khi phóng điện, các chất tác dụng ở hai bản cực đều trở thành sunfat chì PbSO4 có dạng tinh thể nhỏ. Khi nạp điện xảy ra phản ứng: - ở cực d−ơng: PbSO4 – 2e + 2H2O = PbO2 + H2SO4 + 2H + ( 2.1) - ở cực âm: PbSO4 + 2e + 2H + = Pb + H2SO4 (2.2) -Toàn bộ quá trình xảy ra trong acqui khi nạp điện là: 2PbSO4 + 2H2O = Pb + PbO2 + 2 H2SO4 (2.3) Kết quả là tạo thành một điện cực Pb và một điện cực PbO2. Trang 6 Khi nối hai điện cực Pb và PbO2 với tải, lúc này hoá năng đ−ợc dự trữ trong acqui sẽ chuyển thành điện năng. ở các điện cực sẽ xảy ra các phản ứng ng−ợc của (2.1) và (2.2), nghĩa là trong ác qui sẽ xảy ra phản ứng ng−ợc của (2.3). Acqui sẽ cung cấp dòng điện cho đến khi cả hai điện cực lại trở thành PbSO4 nh− ban đầu 3. các thông số và đặc tính của ác qui 3.1. Sức điện động của ác qui * Sức điện động của ác qui axit phụ thuộc vào đặc tính lý hoá của vật liệu làm các bản cực , dung dịch điện phân và đ−ợc xác định bằng công thức thực nghiệm E0 = 0,85 + γ (V). Trong đó: E0: Sức điện động tĩnh của acqui đơn, tính bằng vol. γ : nồng độ dung dịch điện phân tính bằng vol quy về +150C. *Sức điện động của ác qui khi phóng điện Ep = Up + Ip. raq Trong đó: Ip : Dòng điện phóng (A) Up: điện áp đo trên các cực của ác qui khi phóng điện (A) raq: điện trở trong của ác qui, khi phóng điện hoàn toàn thì raq = 0,02Ω . * sức điện động nạp En của ác qui En = Un – In.raq (V). Trong đó: In : dòng điện nạp (A). Un: điện áp đo trên các cực của ác qui khi nạp điện (V). raq : điện trở trong của ác qui khi nạp điện. Khi nạp no thì raq = (0,0015 -0,001)Ω . 3.2.Dung l−ợng của ác qui Trang 7 I (A) U,E (V) Vùng phóng cho phép 1,27 tgh 10 5 1,11 2,11 1,95 Khoảng nghỉ 1,0 1,5 2,0 0,5 Eaq Eo Up E Ip.raq 1,75 Cp=Ip.tp tp (h)  (g/cm3) Dung l−ợng của ác qui là đại l−ợng đánh giá khả năng cung cấp hoặc tích trữ năng l−ợng của ác qui và đ−ợc tính theo công thức : Ci = Ii.ti (Ah). Trong đó: Ci dung l−ợng thu đ−ợc trong quá trình phóng nạp (Ah). Ii Dòng dịên phóng nạp ổn định (A) tp(h). 3.3. đặc tính phóng điện của ác qui - Đồ thị biểu diễn mối quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp acqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian phóng khi dòng điện phóng không thay đổi. Từ đồ thị ta có các nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian phóng từ tp =0 tới tp = tgh, sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân giảm dần, tuy nhiên độ dốc của các đồ thị là không lớn,đây là giai đoạn phóng ổn định hay thời gian phóng điện cho phép của ác qui - Từ thời điểm tgh trở đi,nếu tiếp tục phóng điện thì độ dốc sức điện động, điện áp của acqui giảm rất nhanh, mặt khác các tinh thể Trang 8 10 0 Khoảng nghỉ Vùng nạp no (2ữ3)h Eaq Eo Un In.raq E 2,7V 2,11V I (A) U,E (V) Vùng nạp hiệu dụng 1,27 ts 5 1,11 1,95 1,0 1,5 2,0 0,5 Cn=In.tn tn (h)  (g/cm3) Bắt đầu sôi 2,4V sunfat chì (PbSO4) tạo thành trong phản ứng sẽ có dạng thô, rắn, khó hoà tan (biến đổi hoá học) - Sau khi ngắt mạch phóng một khoảng thời gian, các giá trị sức điện động, điện áp và nồng độ dung dịch điện phân của ác qui lại tăng lên, đây là thời gian hồi phục hay khoảng nghỉ của ác qui thời gian phục hồi này phụ thuộc vào chế độ phóng điện của ác qui 3.4. Đặc tính nạp của ác qui - Biểu diễn quan hệ phụ thuộc của sức điện động, điện áp ăcqui và nồng độ dung dịch điện phân theo thời gian nạp khi trị số dòng điện nạp không thay đổi. Từ đồ thị đặc tính nạp ta có nhận xét sau: - Trong khoảng thời gian nạp từ tn = 0 đến tn = ts, sức điện động, điện áp, nồng độ dung dịch điện phân tăng dần lên. - Tới thời điểm tn = ts trên bề mặt các bản cực xuất hiện các bọt khí do dòng điện điện phân n−ớc thành ôxy và hyđrô (còn gọi là hiện t−ợng sôi ), lúc này điện thế giữa các cực của acqui đơn tăng tới giá trị 2,4 V, tiếp tục nạp giá trị này nhanh chóng tăng tới 2,7 V Trang 9 và giữ nguyên,thời gian nạp này gọi là thời gian nạp no và th−ờng kéo dài từ 2-3 h, làm tăng thêm dung l−ợng phóng điện của acqui. Trong quá trình đó sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân là không thay đổi.. - Sau khi ngắt mạch nạp, điện áp, sức điện động và nồng độ dung dịch điện phân giảm xuống và ổn định. Đây là khoảng nghỉ của ác qui sau khi nạp. - Dòng điện nạp định mức đối với ác qui qui định bằng 0,5.C20 (0,1.C10). II. Các ph−ơng pháp nạp điện cho acqui 1. Ph−ơng pháp nạp với dòng nạp không đổi - Ph−ơng pháp nạp điện với dòng nạp không đổi cho phép chọn dòng điện nạp thích hợp , đảm bảo cho acqui đ−ợc nạp no Các ác qui đ−ợc mắc nối tiếp với nhau và phải thoả mãn Un ≥ 2,7 Naq. Trong đó: Un: Điện áp nạp (V). Naq: Số ngăn ác qui đơn mắc trong mạch nạp . - Khi nạp sức điện động của acqui tăng dần, để duy trì dòng điện nạp không đổi ta phải bố trí trong mạch nạp biến trở R với trị số In NaqUnR 0,2−= . - Nh−ợc điểm: thời gian nạp kéo dài - Để khắc phục : sử dụng ph−ơng pháp nạp c−ỡng bức theo 2 nấc. Dòng địên nạp ở nấc thứ nhất chọn bằng (0,3 - 0,5).C10, và khi ác qui bắt đầu sôi thì nạp nấc thứ hai bằng 0,1.C10. 2. Ph−ơng pháp nạp với áp không đổi - Ph−ơng pháp nạp áp, ác qui đ−ợc mắc song song với nguồn nạp. Hiệu điện thế cho mỗi ngăn đơn đ−ợc giữ ổn định và có giá trị từ 2,3 - 2,5 V với độ chính xác đến 3% Trang 10 - Dòng nạp Raq EaqUnIn −= lúc đầu sẽ rất lớn sau đó khi Eaq tăng dần lên thì In giảm đi khá nhanh. - Ưu điểm: thời gian nạp ngắn, dòng điện nạp tự động giảm dần theo thời gian. - Nh−ợc: ác qui không đ−ợc nạp no, vì vậy ph−ơng pháp nạp này chỉ dùng nạp bổ xung cho acqui trong quá trình sử dụng. Để khắc phục những nh−ợc điểm và tận dụng đ−ợc hết những −u điển của các ph−ơng pháp nạp trên, ta kết hợp hai ph−ơng pháp nạp lại thành ph−ơng pháp dòng - áp. 3. Ph−ơng pháp nạp dòng - áp - Ban đầu ta nạp với dòng nạp không đổi In = 0,5.C10. Khi thấy ác qui "sôi" thì hiệu điện thế giữa các cực của của ăcqui đơn 2,4V, tiếp tục nạp thì giá trị này nhanh chóng tăng tới giá trị là 2,7 V. Sau đó chuyển sang chế độ nạp ổn áp với giá trị điện áp nạp không đổi cho 1 ngăn đơn là Un = 2,7Vvà th−ờng kéo dài từ 2 đến 3 giờ hoặc khi dòng nạp tiến tới không (In = 0) thì kết thúc quá trình nạp. Kết luận: Qua phân tích ta chọn ph−ơng pháp nạp dòng - áp để nạp cho ác qui và bộ nguồn nạp ác qui tự động phải đáp ứng những yêu cầu sau: - Ban đầu tự động nạp ổn dòng với dòng nạp đặt tr−ớc In = 0,5 .C10/1 ngăn ác qui đơn. - Khi phát hiện thấy hiệu điện thế trên các cực của ác qui đơn tăng tới 2,7 V thì tự động chuyển từ nạp ổn dòng sang chế độ nạp ổn áp với điện áp nạp đặt tr−ớc Un = 2,7V/ 1 ngăn ác qui đơn. - Nạp ổn áp cho tới khi dòng điện nạp tiến về không. Trang 11 ch−ơng II Lựa chọn ph−ơng án chỉnh l−u I. Nhận xét chung: Bộ chỉnh l−u là thiết bị dùng để biến đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn điện một chiều nhằm cung cấp cho phụ tải điện một chiều. * Đề bài : thiết kế bộ nguồn nạp ác quy có thể nạp cho ắc quy 16-28V và dòng nạp 10- 100A. - Vì yêu cầu cần điều khiển dòng ,áp nên ta chọn ph−ơng án chỉnh l−u tiristor. - Vì tải yêu cầu công suất nhỏ và chất l−ợng điện áp điều chỉnh không cần cao nên ta chọn ph−ơng án chỉnh l−u một pha nhằm đơn giản hoá việc thiết kế,giảm giá thành và tăng độ linh động của bộ chỉnh l−u. IICác ph−ơng án thiết kế mạch chỉnh l−u 1. Chỉnh l−u một pha 2 nửa chu kỳ có điều khiển Trong sơ đồ này ,máy biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau ,ở mỗi nửa chu kỳ khi có xung tới điều khiển mở tiristo có một van dẫn cho dòng điện chạy qua . Điện áp đập mạch trong cả hai nửa chu kỳ với tần số đập mạch bằng hai lần tần số điện áp xoay chiều . Hình dáng các đ−ờng cong điện áp và dòng điện tải (Ud,Id ) cho trên hình vẽ . Trang 12 Trong nửa chu kỳ đầu , khi U2>E thì điện áp UAK của T1 d−ơng, UAK của T2 âm.Vi vậy T1 sẽ dẫn nếu đ−ợc phát xung điều khiển dòng sẽ chảy qua T1-R-E, với nguồn là U2 Trong nửa chu kỳ sau, khi U '2 > E thì điện áp UAKcủa T2 d−ơng, của T1 âm, T2 sẽ dẫn nếu đ−ợc phát xung điều khiển, dòng sẽ chảy qua T2-R-E, với nguồn là U '2 Chú ý: Nếu ta phát xung vào thời điểm U<E thì van không dẫn ,mạch điều khiển phải điều khiển sao cho xung phát ra không rơi vào thời điểm này Từ đồ thị ta có: - Trị trung bình của điện áp trên tải: Ud= ( ) θθπ βπ α dU∫ − sin..21 2 + )( αβπ + E = )()]cos([cos2 2 αβπβπαπ ++−− EU - Trị trung bình của dòng qua tải : Id = R EUd − = ])[( . )]cos([cos . .2 2 παβπβπαπ −++−− R E R U - Trị số dòng hiệu dụng qua van : Trang 13 R E T2 T3T1 T4 U2 I2=I '2 =Ihdv= ∫ − −βπ α θθπ dR EU 22 ) sin2 ( 2 1 - Trị số dòng hiệu dụng qua tải: Ihd = ∫ − −βπ α θθπ dR EU 22 ) sin2 (1 Ta thấy Ihdv= 2 hdI - Điện áp ng−ợc đặt lên van: U ngcvan =2 2 U2 * Nhận xét : trong sơ đồ này , dòng điện chạy qua van không quá lớn . Khi van dẫn ,điện áp rơi trên van nhỏ.Việc điều khiển các van bán dẫn ở đây t−ơng đối đơn giản .Tuy vậy ,việc chế tạo biến áp có hai cuộn dây thứ cấp giống nhau , mà mỗi cuộn chỉ làm việc trong nửa chu kỳ phức tạp và hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn , mặt khác điện áp ng−ợc của các van bán dẫn rất lớn.Thích hợp với mạch chỉnh l−u điện áp thấp nh−ng dòng lớn không cần chất l−ợng điện áp cao. 2. Chỉnh l−u cầu một pha có điều khiển đối xứng: Trong nửa chu kỳ đầu , lúc U2 > E điện áp anot của tiristo T1 d−ơng katot của T2 âm , nếu có xung điều khiển cả hai van T1 ,T2 Trang 14 E R T1 D1T2 D2 U2 đồng thời ,thì các van này sẽ đ−ợc mở đặt điện áp l−ới lên tải , T1 , T2 sẽ dẫn đến khi U2 < E. Trong nửa chu kỳ sau , khi U2 <E thì điện áp anot của tiristo T3 d−ơng katot của T4 âm , nếu có xung điều khiển cả hai van T3 ,T4 đồng thời ,thì các van này sẽ đ−ợc mở đặt điện áp l−ới lên tải. (với điều kiện 21 ααα << ) Điện áp trung bình đặt lên tải: Ud= ∫2 )()sin(21 2 α α θθπ dU + )( 1ααπ + E Ihd= ∫ −2 )())sin(2(1 22 α α θθπ dR EU Dòng trung bình chạy qua tiristo : Itb = Id/2 Dòng hiệu dụng chạy qua van :IhdV= 2 hdI Điện áp ng−ợc lớn nhất đặt lên van : 2max 2UUn = * Nhận xét : So với sơ đồ trên ,ở sơ đồ này điện áp ng−ợc lớn nhất đặt lên van chỉ bằng một nửa,biến áp dễ chế tạo và có hiệu suất cao hơn . Tuy nhiên , sơ đồ này nhiều khi gặp khó khăn trong việc mở các van điều khiển, tổng sụt áp trên các van là lớn ,làm hiệu suất bộ chỉnh l−u giảm khi áp thấp 3 Chỉnh l−u cầu một pha có điều khiển không đối xứng(thẳng hàng) O Trang 15 - ở nửa chu kì d−ơng của u2 khi α < β hay α ≥ βπ − cho xung điều khiển mở T1 thì cả T1và D1 đều không mở đ−ợc do trong mạch có sức điện động E làm cho thế UAK của tiristor âm. Khi β <α < βπ − , phát xung điều khiển mở T1 thì D1 cũng mở cho dòng chảy qua tải theo đ−ờng: T1 - (R + E) - D1 - ở nửa chu kỳ âm của u2, t−ơng tự nh− trên khi βπ + <α < βπ −2 , phát xung điều khiển mở T2 thì D2 cũng mở ngay cho dòng chảy qua tải theo đ−ờng: D2 - (R+E) - T2 Góc dẫn dòng của điốt và của tiristor trong sơ đồ này bằng nhau và: TD λλ = = βπ 2− Về nguyên tắc, α có thể thay đổi đ−ợc trong khoảng (0;π ) nh−ng do sự có mặt của sức điện động E của tải nên góc mở α đ−ợc khống chế trong khoảng ( β ; βπ − ). - Trị trung bình của điện áp trên tải: Ud= ( ) θθπ βπ α dU∫ − sin..21 2 + )( αβπ + E = )()]cos([cos2 2 αβπβπαπ ++−− EU - Trị trung bình của dòng qua tải : Id = R EUd − = ])[( . )]cos([cos . .2 2 παβπβπαπ −++−− R E R U - Trị trung bình của dòng qua tiristor và điôt: IT = ID = θπ βπ α dId. 2 1 ∫ − = )]([ 2 βαπ +−dI - Trị hiệu dụng dòng qua van và diôt: Ihdv= 2 hdI Trang 16 Nhận xét: Mạch điều khiển sơ đồ cầu một pha không đối xứng dễ điều khiển,việc chế tạo biến áp đơn giản.Tuy nhiên tổng sụt áp trên van là lớn không phù hợp cho tải có áp thấp vì nó làm giảm hiệu suất sử dụng bộ nạp Kết luận: Từ những phân tích trên ta chọn sơ đồ ''Chỉnh l−u hình tia hai pha có điểm giữa ''.vì nó có những −u điểm sau + Số l−ợng van ít nên mạch điều khiển sẽ đơn giản + Tổng sụt áp trên các van nhỏ,hiệu suất sử dụng thiêt bị cao hơn.Mặt khác thiết bị gọn nhẹ .linh động và giá thành hạ Trang 17 N1 N2 N3 BAL T1 T2 R C R C L RdAq U1 Ch−ơng III thiết kế và tính toán mạch lực I.Sơ đồ mạch lực II.Các phần tử trên sơ đồ mạch lực : 1.Van lực: - Để chọn van ta phải dựa vào chế độ làm việc nặng nề nhất mà van phải chịu. *Chỉ tiêu điện áp : - Van phải chịu điện áp max khi các acqui đ−ợc nạp no,mỗi ngăn acqui có điện áp là 2V.Để có acqui 28V cần 14 ngăn. Để nạp no thì điện áp nạp cho mỗi ngăn phải là 2,7V. Khi đó : dU =2,7.28/2 =37,8 (V) Mặt khác có :Ud=0,9U2 ⇒U2= 42,6 V Điện áp ng−ợc lớn nhất trên van : maxngU =2 2 .U2=119 V ⇒Điện áp ng−ợc định mức van là Unđmv=1,1.kdt.119= 235 V Với 1,1 là do thực tế điện áp l−ới không ổn định và đ−ợc phép dao động nên áp l−ới có thể tăng lên 10% Kdt là hệ số dự trữ cho van. chọn : Kdt =1,8 *Chỉ tiêu dòng điện : Trang 18 - Dòng điện trung bình qua van Itbv=Id/2=100/2= 50 A Do công suất tải thấp chọn chế độ làm mát cho van tự nhiên dùng cánh tản nhiệt chuẩn. Itbv=(0,2-0.3)Iđmv⇒ Idmv=167 A Vậy điều kiện chon van là Uv > 235 V và Iv >167A ***Chọn loai van ST180S04P1V có các thông số sau: Điện áp ng−ợc Un cực đại :400V Dòng làm việc định mức ,dòng điện đỉnh: Iđm= 200A,Ipik=5000A Dòng và áp điều khiển là Ig=150 mA,Ug=3V Dòng rò Ir=30mA,sụt áp ΔU=1,8V, dUdt =500V/s,tcm=100μ s 2.Các thiết bị bảo vệ a) Bảo vệ ngắn mạch, quá tải Sử dụng Aptômat (AT) để đóng cắt mạch lực, bảo vệ khi quá tải ,ngắn mạch tiristor, ngắn mạch đầu ra của bộ biến đổi, ngắn mạch thứ cấp máy biến áp.Đăt Iatm=1,2Iđmv b) Bảo vệ quá áp,tốc độ tăng điện áp cho van Khi có sự chuyển mạch, các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo dòng điện ng−ợc trong khoảng thời gian ngắn. Sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ng−ợc gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anôt và katôt của thyristor.Vì vậy ta mắc mạch R C mắc song song với thyristor nhằm tạo ra vòng phóng điện trong quá trình chuyển mạch nên bảo vệ đ−ợc thyristor không bị quá điện áp. Mặt khác mắc RC còn làm giảm tốc độ tăng áp của Thyristor vì khi biến thiên điện áp v−ợt quá du/dt cho phép của van Trang 19 thì van sẽ dẫn mà không cần dòng điều khiển . Theo kinh nghiệm chọn C=0,1μ F , R=45Ω . c) Hạn chế tốc độ tăng dòng - Tải là ắc quy không có tính cảm nên tốc độ tăng dòng có thể rất lớn có thể gây hiện t−ợng đốt nóng cục bộ trong van . Vì vậy phải hạn chế nó bằng cách mắc nối với tải một cuộn cảm Nh−ng do sử dụng nguồn biến áp cho chỉnh l−u nên điện cảm trong cuộn dây máy biến áp cũng đã đủ để đảm bảo điều kiện trên. 3.Cuộn lọc một chiều Sự đập mạch của điện áp chỉnh l−u làm cho dòng điện tải cũng làm đập mạch theo .làm xấu đi chất l−ợng điện áp một chiều Khi càng điều chỉnh sâu thì chât l−ợng áp và dòng càng xấu,vì vây ta đ−a cuộn lọc để nâng cao chât l−ợng điện áp Góc điều khiển α max (điều khiển sâu nhất) 0,9.U2cosα max=Imin.Rtd⇒α max=84,3’ Hệ số đập mạch vào Kđmv= 2 max 2 2 ( . ) 1 1 dm dm m tg m α + − với mđm=2 ⇒ kđm=13,8 Chọn kđmr=1,38 thì ksb=10 ⇒L= 2 1 . sb dm k m ω − =0,016H 5.Tính toán máy biến áp a) Tính các thông số cơ bản *Điện áp chỉnh l−u không tải : Udo = Ud + ΔUV + ΔUba + ΔUdn Trong đó : Ud= 37,8 V - Điện áp chỉnh l−u ΔUV = 1,8 V - Sụt áp trên các van ΔUba =8% Ud = 3V -Sụt áp bên trong máy biến áp khi có tải . Trang 20 ΔUdn ≈ 0 -Sụt áp trên dây dẫn (coi rất nhỏ). Vậy : Udo = 37,8+1,8+3=42,6V. * Công suất tải tối đa: Pdmax = Udo. Id = 42,6.100= 4,26 kW * Công suất máy biến áp : Sba = kP. Pdmax = 1,48.4,26 = 6,3k W Với sơ đồ tia hai pha : kP =1,48 b) Tính sơ bộ mạch từ Tiết diện sơ bộ trụ : QFe = kQ. fm Sba . trong đó kQ là hệ số phụ thuộc ph−ơng thức làm mát Với máy biến áp dầu ta lấy kQ = 5 m:số pha của máy biến áp : m =2 f: là tần số dòng điện xoay chiều (ở đây tần số là f =50Hz). ⇒Qfe=5. 63002.50 =40cm 2 c) Tính toán dây quấn - Điện áp cuộn dây sơ cấp : U1 =220 V - Điện áp cuộn dây thứ cấp : U2 =42,6 V - Hệ số máy biến áp : kba = 2 1 U U =220/42,6 = 5,16 * Số vòng dây mỗi pha máy biến áp : Ta có công thức : W = BQf U Fe ...44,4 vòng. trong đó W -Số vòng dây của cuộn dây cần tính. U - Điện áp của cuộn dây cần tính (V). B - Từ cảm (th−ờng chọn từ 1- 1,8 Tesla). QFe- Tiết diện lõi thép(m 2). Chọn thép làm máy biến áp là loại có mã hiệu là ∃330 dày 0,5mm có B=1,1T. Trang 21 Số vòng dây cuộn sơ cấp máy biến áp. W1 =225 vòng. Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp. W2 = 44 vòng. *Dòng điện các cuộn dây : Dòng thứ cấp : I2 = k2 . Id = 0,58.100 = 58A Dòng sơ cấp : I1 = I2 / kba = 11.24A *Tiết diện dây dẫn : Dây dẫn bằng đồng, chọn J1 = J2 = 3(A/mm 2) Tiết diện dây quấn sơ cấp máy biến áp : S1 = 1 1 J I = 11,24/3 = 3,75mm 2. Đ−ờng kính dây dẫn sơ cấp d 1= 1 4S π =2,2 mm Tiết diện dây quấn thứ cấp của máy biến áp S2 = 2 2 J I =58/3 = 19,33mm2. Đ−ờng kính dây dẫn thứ cấp d2 = π S.4 = 4,96mm. Trang 22 Ch−ơng IV Mạch điều khiển I. Yêu cầu chung và cấu trúc mạch điều khiển : 1. Mục đích và yêu cầu chung mạch điều khiển: * Mạch điều khiển là khâu rất quan trọng trong bộ biến đổi tiristor, nó có vai trò quyết định đến chất l−ợng, độ tin cậy của bộ biến đổi. Hệ điều khiển sẽ phát xung mở hai tiristor T1,T2,Các tiristor sẽ mở khi thoả mãn đồng thời hai điều kiện: UAK >o, I >0 Để làm thay đổi điện áp ra tải chỉ cần thay đổi thời điểm phát xung điều khiển, tức là thay đổi góc mở α của các van. * Mạch điều khiển phải thực hiện các nhiệm vụ chính sau: + Đảm bảo phạm vi điều chỉnh góc điều khiển α min-α max t−ơng ứng với phạm vi thay đổi điện áp ra của mạch lực. + Có độ đối xứng điều khiển tốt , không v−ợt quá 10-30 điện ,tức là góc điều khiển với mọi van không đ−ợc qua lệch giá trị trên . + Đảm bảo mạch hoạt động ổn định và tin cậy khi l−ới điện xoay chiều dao động cả về giá trị điện áp và tần số. + Có khả năng chống nhiễu công nghiệp tốt,độ tác động nhanh +Đảm bảo xung điều khiển phát tới các van phù hợp để mở chắc chắn các van .Xung phải thỏa mãn Đủ công suất (về điện áp và dòng điều khiển ). Th−ờng tốc độ tăng áp điều khiển phải đạt 10V/us ,tốc độ tăng dòng điều khiển đạt 0,1A/us . Độ rộng xung điều khiển đủ cho dòng qua van v−ợt trị số dòng điện duy trì Idt của nó , để khi ngắt xung van vẫn giữ đ−ợc trạng thái dẫn . Trang 23 2. Cấu trúc mạch điều khiển: 2.1Các hệ điều khiển chỉnh l−u: Có hai hệ điều khiển là hệ đồng bộ và hệ không đồng bộ . + Hệ đồng bộ : trong hệ này góc điều khiển mở van luôn đ−ợc xác định xuất phát từ một thời điểm cố định của điện áp lực .Vì vậy trong mạch điều khiển phải có khâu đồng pha để đảm bảo mạch điều khiển hoạt động theo nhịp của điện áp lực . + Hệ không đồng bộ : trong hệ này góc điều khiển mở van không đ−ợc xác định theo điện áp lực mà đ−ợc tính dựa vào trạng thái của tải chỉnh l−u và vào góc điều khiển của lần phát xung mở van ngay tr−ớc đấy .Do đó , mạch điều khiển này không cần khâu đồng pha nh−ng phải thực hiện điều khiển theo mạch vòng kín , không thể thực hiện với mạch hở. 2.2Nguyên tắc điều khiển: Th−ờng dùng hai nguyên tắc điều khiển: thẳng đứng tuyến tính (dịch pha)và thẳng đứng arccos(dọc). a) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính(dịch pha) - Điện áp đồng bộ (urc), đồng bộ với điện áp dặt trên cực A - K của tiristor, th−ờng đặt vào đầu đảo của khâu so sánh. 0 us 2  Ucm αα Usm tω Trang 24 - Điện áp điều khiển (udk) - điện áp một chiều điều chỉnh đ−ợc biên độ, th−ờng đặt vào đầu không đảo của khâu so sánh . hiệu điện thế đầu vào của khâu so sánh là: Ud= udk – urc Mỗi khi udk=urc thì khâu so sánh lật trạng thái, tạo ra một xung điều khiển. Nh− vậy, làm biến đổi udk có thể điều chỉnh đ−ợc thời điểm xuất hiện xung ra, tức là điều chỉnh đ−ợc góc mở α của tiristor. Giữa α và ucm có quan hệ: α = dkU Um Với Udkmax=Um b) Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcos(dọc) Theo nguyên tắc này dùng bộ tạo điện áp răng c−a và bộ so sánh .Tín hiệu đồng bộ Udk sẽ đồng bộ hóa quá trình làm việc của bộ phat xung răng c−a - Tại thời điểm Udk=Urc bộ so sánh sẽ lật trạng thái .Nếu urc= Um.cos tω ,chọn thời điểm tω =0 là thời điểm chuyển mạch tự nhiên thì khi tω =α ta có Umcosα =Uđk⇒α =arccos dk m U U Khi uđk = Um thì α = 0. Khi udk = 0 thì α = 2 π . Khi udk = - Um thì α = π . Nh− vậy, khi điều chỉnh udk từ +Um đến trị udk = -U m, ta điều chỉnh đ−ợc góc mở α từ 0 đến π . Trang 25 II. Sơ đồ khối và chức năng: Dựa vào nguyên tắc điều khiển và yêu cầu của công nghệ ta thiết lập đ−ợc sơ đồ khối của bộ điều khiển: Trong đó: Ung: Điện áp nguồn Uđk: Điện áp điều khiển 1. Khâu đồng pha ( ĐF ): Ud Uph Uđk Ung ĐF Utựa SS DX KĐK B Đ K tω Ucm 0 2  us uAK  Trang 26 Tạo điện áp trùng pha với điện áp thứ cấp biến áp mạch lực. Và cách ly giữa mạch lực điện áp cao với mạch điều khiển điện áp thấp. 2. Khâu tạo điện áp tựa (Utựa): Tạo điện áp có dạng răng c−a có chu kỳ làm việc theo nhịp của điện áp đồng pha. 3. Khâu so sánh( SS ): So sánh giữa điện áp tựa Utựa và điện áp điều khiển Uđk, tìm thời điểm hai điện áp này bằng nhau ( Uđk = Utựa) để phát xung điều khiển tức là xác định góc mở α. 4. Khâu dạng xung ( DX): Nhằm tạo ra các xung có dạng phù hợp để mở chắc chắn van chỉnh l−u, th−ờng đ−ợc sử dụng xung chùm. 5. Khâu khếch đại xung (KĐX): Tiến hành khếch đại xung từ mạch dạng xung đ−a đảm bảo mở chắc chắn tiristor. Khâu này cũng th−ờng làm nhiệm vụ cách ly giữa mạch điều khiển và mạch lực. 6. Bộ điều khiển ( BĐK ): Khâu này có nhiệm vụ nhận các tín hiệu từ công nghệ đ−a tới và các tín hiệu phản hồi lấy từ tải về để xử lý theo những qui luật điều khiển nhất định để đ−a ra Uđk tác động đến góc điều khiển khống chế nguồn năng l−ợng ra tải cho phù hợp nhất. Để ổn định dòng điện ta phải phản hồi âm dòng điện; Để ổn định điện áp ta phải phản hồi âm điện áp. Trong quá trình nạp acqui tự động ,sự ổn dòng và ổn áp phải luôn đ−ợc đảm bảo III.Xây dựng mạch điều khiển : 1. Khâu đồng pha : a) Sơ đồ và nguyên lý Trang 27 N1 N2 N3 - + + VR1 E E -EU1 OA1 R0 D1 D2 U2 U'2 R1 R3 Udf Uo Udb T Time (s) 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m 50.00m VF1 -20.00 20.00 - Điện áp đồng pha đ−ợc so sánh với điện áp trên biến trở VR1. Tại thời điểm Udf=U0 thì đổi dấu của điện áp ra khuếch đại thuật toán. - Điện áp tại cửa âm: Uo= . 1 1 3 EVR VR R+ Điện áp cửa d−ơng bằng udf . Điện áp vào bằng: Ura=K0.(u+-u-)=K0.(udf-u0) Khi udf> u0 thì điện áp ra Ura=Ubh=E-1.5 V Khi uA< u - thì điện áp ra Ura=-Ubh=-( E-1.5)V Kết quả ta có chuỗi xung chữ nhật không đối xứng. b)Tính toán - Điện áp đồng pha qua điôt Đ1,Đ2 đ−ợc dạng điện áp một chiều nửa hình sin . chọn điện áp xoay chiều đồng pha UA=12(V) Điện trở R1 đ−ợc dùng để hạn chế dòng vào KTT. Trang 28 - + + VR2 E +E -ER5 R4 C Udz Udf OA2 D3 Urc T Time (s) 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m U2 1.00 10.00 Chọn R2=R1=10(KΩ ) Chọn góc duy trì và khoá năng l−ợng là 5o thì điện áp đặt vào cửa d−ơng của bộ so sánh là: Ud= 2 Usin5 o= 2 *12*sin5o=1.48(V) ⇒ . 1 1 3 EVR VR R+ =1,48⇒R3=7VR1 Chọn R1=35(KΩ ) , VR1 loại 100 KΩ ,đặt ở giá trị 5 KΩ Chọn Khuếch đại thuật toán là loại TL084 có: Nguồn cung cấp E=± 12V Nhiệt độ làm việc : t=-25 ữ 850C Công suất tiêu thụ: P=680 mW Tổng trở đầu vào : Rin=10 6 MΩ Dòng điện ra : Ira=30pA 2. Khâu tạo điện áp răng c−a a) Sơ đồ và nguyên lý - Điện áp đồng bộ đ−ợc đ−a vào cửa đảo của khâu tạo điện áp răng c−a. - Khi Udp<0 (Udp=-Ubh) khi đó Đ3 dẫn, tụ C nạp điện ,điện áp trên tụ C bằng điện áp đầu ra OA2. Trang 29 - Điện áp trên tụ C đ−ợc nạp tăng tuyến tính đến trị số ng−ỡng của điôt ổn áp DZ và giữ điện áp ra ở trị số này. - ở nửa chu kỳ sau, khi Udb>0 thì Đ3 khoá nên dòng qua Đ3 bằng 0,tụ phóng điện,điện áp trên tụ C (điện áp ra) giảm tuyến tính. Khi điện áp giảm đến không rồi âm thì đĩôt DZ dẫn nh− điôt bình th−ờng giữ cho điện áp ở giá trị 0. b) Tính toán * Khi Udp<0 (Udp=-Ubh) thì Đ3 dẫn tụ C đ−ợc nạp điện .Điện áp trên tụ C bằng điện áp đầu ra của OPAM. Thông th−ờng thiết kế với R5>iR4, để đơn giản bỏ qua iR4 nên iR5=iC Ura= UC =UC(0)+ 1 C c i dt∫ = 1C ci dt∫ (vì UC(0)=0) - Điôt ổn áp không cho điện áp nạp trên tụ C quá Udz . - Chọn loại điôt ổn áp là KC210B có điện áp ổn áp là : Udz=10 (V), dòng tối đa I =22(mA) Với tần số công nghiệp f=50Hz thì mỗi nửa chu kỳ T=10(ms), chọn R5 và C sao cho tụ đ−ợc nạp đến điện áp Udz trong thời gian t=tn= 0.5(ms) UC = tC IC ⇒ Ic= 3100,5.10− .C = 2.104.C Chọn C=0.2(μ F)⇒ IC=0,2.10-6.2.104 = 4.10-3(A) R5= 1,5 c E I − =2.6kΩ Chọn R5=3(KΩ ) * Khi Udp>0 (Udp=+Ubh) thì Đ3 khoá , tụ C phóng điện - Dòng phóng điện : Ip= 2 4 E VR R+ Trang 30 T Time (s) 0.00 25.00m 50.00m 75.00m 100.00m VF1 -20.00 20.00 - + + E -E Udk Urc Uss R6 OA3 - Điện áp trên tụ C giảm dần theo thời gian: uc(t)=UC(0)+ 1 C c i dt∫ =Udz- 1C ci dt∫ =10- 2 4EVR R+ .t. 1C - thời gian phóng điện t=tp =9,5ms,tại thời điểm tp điện áp trên tụ bằng bằng 0⇒10- 2 4 E VR R+ 1 C .tp =0 ⇒VR2+R4=57KΩ Chọn R4=10(KΩ ) , VR2 loại 100 (KΩ ),đặt ở giá trị 50 KΩ 3. Khâu so sánh: a) Sơ đồ và nguyên lý So sánh điện áp tựa và điện áp điều khiển, điểm cân bằng của hai điện áp này là thời điểm mở tiristor. đồ thị điện áp Uss Khi Udk>Urc thì điện áp ra của khâu so sánh là Ura=+Ubh=E-1,5 V Khi Udk<Urc thì điện áp ra của khâu so sánh là Ura=-Ubh=-(E-1,5) V,kết quả cho điện áp ra là xung chữ nhật (đồ thị) b) Tính toán R6 chọn 10 KΩ , Chọn KĐTT là loại TL084,nguồn nuôi E=± 12(V 4. Khâu tạo xung chùm Trang 31 - + + E -E R7 R8 R9 OA3 C1 Udx T Time (s) 0.00 5.00m 10.00m 15.00m 20.00m V ol ta ge (V ) -10.00 0.00 10.00 20.00 a) Sơ đồ và nguyên lý - Khâu tạo xung chùm là mạch dao động hoạt động ở chế độ tự dao động.Điện áp trên tụ C1 đ−ợc so sánh với điện áp Vp Vp= 7 7 8 .raU R R R+ =± 77 8 1,5 .E R R R − + - Tụ đ−ợc nạp từ giá trị Vp-đến Vp+ và phóng từ giá trị Vp+ đến Vp- với hằng số phóng nạp τ =R9 .C1 - Thời gian phóng tp và thời gian nạp tn bằng nhau,chu kì phóng nạp T=tp +tn ,nếu chọn R7 =R8 thì chu kì phóng nạp T=2,2.R9.C1 b,tính toán chọn R7=R8 =1kΩ , Trang 32 N1 N2 & + D4 D5 D6 R10 R11 R12 C2 C3 R13 T1 T2 E Udf Uss Udx - chọn tần số làm việc của mạch dao động là 10 kHz,C1 =20nF thì ta có T=10-4=2,2. 20.10-9.R9⇒R9 =2.5 kΩ , chọn R9 =3 kΩ kết quả ta đ−ợc dãy xung hình chữ nhật 5,khâu tách xung ,biến áp xung và khuếch đại xung a. sơ đồ và nguyên lí * sau khâu dạng xung, ta đ−ợc hai xung điều khiển trong một chu kì điện áp xoay chiều,điều nây là không mong muốn.vì vậy ta sử dụng khâu tách xung để xác định chu kì d−ơng (âm) phát xung điều khiển cho Tirirtor khi điên áp trên nó là d−ơng( UAK >0) - Ta lấy điện áp từ khâu đồng pha ,sau khâu so sánh và điện áp sau khâu tạo xung vào chân cổng logic AND,các điện áp d−ơng sẽ có giá trị “1” logic.Cổng AND sẽ cho xung điều khiển khi điện áp trên tiristor là d−ơng,điện áp này đ−ợc đ−a vào khâu khuếch đại xung *Khâu khuếch đại xung - Khối khuếch đại xung gồm hai tranzitor T1,T2 mắc theo kiểu Darlington - D4 bảo vệ Tranzitor khi có dòng điện ng−ợc Trang 33 T Time (s) 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m U3 -20.00 20.00 U4 -10.00 20.00 U5 -1.00 7.00 U6 0.00 4.00 - D6 ngăn chặn xung áp âm có thể có khi van khóa -D5 hạn chế quá áp trên các cực colector và emito của tranzitor T1,T2 - R11 tạo một sụt áp 0,4 v,điều khiển T2 lúc dòng ra đủ lớn và chuyển từ mở sang khóa nhanh hơn - R12 hạn chế dòng ngắn mạch của T2 - R13 va C3 dùng để lọc -C2 nạp điện khi ch−a có xung điều khiển ,khi có xung điều Khiển ,C2 phóng điện cung cấp điện cho biến áp xung đồ thị áp nhận đ−ợc sau AND b.tính toán Ug=3v,Ig=150mA⇒dòng và áp thứ cấp biến áp xung là : I2=150mA U2=3+0,6=3,6v (0,6 là sụt áp trên D6 khi nó dẫn) Chọn máy biến áp có tỉ số biến đổi k=2,suy ra điện áp và dòng sơ cấp biến áp xung I1=75mA, U1=3,6.2=7,2 v Trang 34 R12=(E-7,2)/0,075=64 Ω Chọn R12= 70Ω Chọn tranzitor T1 loại ST 603 có Uce=30 v,Ice=800 mA , β = 30-100 Chọn tranzitor T2 loại C828 có Uce= 30v,Ice=300mA, β = 30-100 R11= 3 2 ce ce U I = 3 3 3 ce ce U I β =0.4.30/75=160Ω ,chọn R11 bằng 165Ω Diode D4,D5,D6 chọn loại :D-1001 có Imax =1A,Ung =200v, ΔU=0,6 v 6.Nguồn cung cấp cho mạch điều khiển : a) nguồn nuôi ổn áp dùng IC ổn áp 7812 ,IC7912: Nguồn ổn áp là nguồn luôn ổn định điện áp ra khi thay đổi điện áp vào hoặc thay đổi tải . sơ đồ khối của bộ nguồn một chiều ổn áp Các phần tử thực hiện khối chức năng: - khối hạ áp và cách ly dùng máy biến áp - Khối chỉnh l−u dùng chỉnh l−u cầu - Mạch lọc dùng tụ điện có điện dung lớn. - Mạch ổn định điện áp dùng IC ổn áp 78xx với các cấp điện áp ra chuẩn và đ−ợc thể hiện bằng hai số xx. Dòng tải cho phép IC này là 1A( khi có tản nhiệt tốt). Sơ đồ ổn áp dùng IC ổn áp Ur UV Ud U2 U1 Hạ áp cách ly Chỉnh l−u Mạch lọc Mạch ổn định điện áp Trang 35 Tính chọn các phần tử trên sơ đồ - IC 7812 có Điện áp đầu vào : 7 ữ35V Dòng điện đầu ra :0 ữ1A Điện áp ra E=12V IC 7912 có Điện áp đầu vào : 7 ữ35V Dòng điện đầu ra : 0 ữ1A Điện áp ra E=-12V - Chọn tụ lọc phẳng C1=C2=1000μF, C3=C4=100 μF Chọn tụ lọc nhiễu C5=C6=0,1μF . - Chọn các cầu chỉnh l−u có I=1A; U=40V(không có tản nhiệt) * chọn máy biến áp * Chọn máy biến áp một pha có một cuốn sơ cấp và nhiều cuộn thứ cấp - Điện áp sơ cấp 220v -Cuộn dây đồng pha :lấy điện áp đồng pha là U=14v -Cuộn thứ cấp biến áp cung cấp điện áp cho chỉnh l−u của bộ tạo nguồn nuôi,điện áp thứ cấp là :U=40 v -Công suât máy biến áp bằng tổng công suất tiêu thụ ở khâu đồng pha,khâu máy biến áp xung,khâu tạo nguồn nuôI, 8 IC TL084 và 2 cổng AND Trang 36 - + + - + + - + + - + + 1 1 1 Iph Up E Uphu VR5 VR6E VR4 R20 R19 CM2 CM1 NOT Uphi SUN -E R28 R30 R24 R26 R27R23 R22 R16 R17 R18 OA5 OA6 R21 R29 OA8 E -E E -E E -E OA7 R25 KHAU PHAN HOI Khau on dong khau on ap Khau chuyen mach Udk S=Sdf +SIC +SSND +Sbax =1,48.0,9.14.1+8.0,68+2.2,5.10-9 +2.3.0,15=25 w -Chọn hiệu suât của mach tạo nguồn nuôi cho mạch điều khiển là 75% vì vậy chọn công suất máy áp là Sba = 25/0,75=34 VA,suy ra Isơcấp=0,15A 7.Khâu phản hồi 7.1) Sơ đồ và nguyên tắc hoạt động - Các tín hiệu phản hồi dòng UphI và áp UphU đ−ợc lấy từ mạch lực rồi đ−a về các khâu phản hồi tạo ra Uđk để điều khiển góc mở α nhằm ổn định các giá trị dòng hoặc áp đã đặt tr−ớc Do áp ,dòng ra tải ( dòng, áp nạp)là liên tục nên ta có Ud = 0,9U2 cosα Id = d t U E R − = 20,9. .cos t U E R α − - Do vậy thực hiện ổn dòng và áp theo nguyên tắc sau: Trang 37 Id BUphIUraOA5↑ BUđkBαBUdBI Id BUphIUraOA5↓BUđkBαBUdBI. UdBUphU BUđkBαBUd Ud B UphUBUđkBαBUd. 7.2) Tính chọn các phần tử trên sơ đồ: a, khâu ổn dòng - Dòng điện phản hồi đ−ợc lấy từ mạch lực ,chuyển dòng phản hồi thành áp phản hồi lấy trên điện trở Rsun rồi đặt vào khâu không đảo OA5 chọn Rsun loại 100 A/60 mV - Điện áp trên Rsun khi dòng cực đại là: UphI =60mV - Mỗi bình có 7 ngăn,mỗi ngăn đơn có sức điện động ban đầu là 2 V ,điện trở là 0,015 Ω nên điện áp ban đầu nạp cho ác qui khi dòng điện nạp là 100 A là : Ud =Un=In .Raq +E=100.0,0015.2.7 +28=30,1 V ⇒0,9U2 cosα = 30,1⇒α =37,22’ ⇒Udk = Urcmax .α /180 =2,067 V (*) - OA5 khâu khuếch đại không đảo chọn hệ số khuếch đại là Kkđ =80⇒1+R17/R16 =80,chọn R16 =1kΩ ,R17=80kΩ - OA6 là mạch cộng đảo,chọn R18=R19=R21 =10k Ω ⇒Uđk =-UraOA5 - Uđạt VR4 Mà UraOA5 =0,6.80=4,8V⇒UđặtVR4 =-6,9 V Suy ra E.VR4/(VR4+R20)=6,9 ⇒VR4=1,35R20. Chọn R20 =10kΩ ,VR4 loại 100kΩ ,đặt ở giá trị 14k Ω *Vậy đặt điện áp ban đầu tại VR4 là -6,9V b,khâu ổn áp - Điện áp phản hồi đ−ợc lấy từ mạch lực,sau đó giảm áp đ−ợc Uphu , Uphu đ−ợc đ−a vào khâu khuếch đại cộng đảo OA7 Trang 38 - Để ác qui đ−ợc nạp no thì điện áp đặt cho mỗi ngăn đơn là 2,7v.Vì vậy điện áp nạp khi đó là Ud = Un =2,7.28/2= 37.8 V 0,9 .U2 cosα =37,8⇒α =9,63’ ⇒Uđk =Urc . α /180 =0,54 V - OA6 là mạch cộng đảo ,chon R24=R25=R26=5kΩ Suy ra Uđk = -Uphu -UđặtVR6 Chọn Uphu =6 V⇒Up. 2322 23 R R R+ =6 với (Up=Ud=Un) ⇒R22=5,3 R23 chọn R23= 5kΩ ,R22=27kΩ ⇒UđặtVR6= -6,54 V Suy ra E. 6 6 27 VR VR R+ =6,54⇒VR6=1,2 R27 Chọn R27= 1kΩ ,VR6 loại 20kΩ đặt ở giá trị 12kΩ *Vậy đặt giá trị điện áp ban đầu tại VR6 là UđặtVR6 =-6,54 V c, Khâu chuyển mạch - Ban đầu ác qui đ−ợc mắc vào mạch nạp thì dòng nạp tăng và điện áp ác qui tăng dần lên, tức là dòng phản hồi và áp phản hồi tăng dần lên. Lúc này do áp phản hồi nhỏ hơn UVR5(áp đặt ở VR5 ) nên áp đầu ra OA8 UraOA8 =-E (ở mức thấp), do đó chuyển mạch CM2 ngắt các đ−ờng phản hồi áp ra khỏi mạch. Đồng thời do có cổng NO nên chuyển mạch CM1 đóng đ−ờng phản hồi dòng với mạch để thực hiện quá trình ổn định dòng. - Khi áp phản hồi UphU bằng UVR5 thì UraOA8 =E do đó CM2 đóng còn CM1 ngắt nên mạch thực hiện quá trình ổn áp. Đặt UđặtOA5 =6 V Suy ra E. 5 5 28 VR VR R+ =6V ⇒VR5=R28 Chọn VR5 loại 5kΩ ,đặt ở giá trị 4kΩ ,chọn R28 =4kΩ Chọn R29=R30 =kΩ Trang 39 - + + R32 R33 R31 VR7 OA9 E -E Uphu RH T3 D7 D8 E E Vậy diện áp đặt ở VR5 là 6 V 8.Khâu bảo vệ quá điện áp Nguyên lý làm việc của mạch - Khâu bảo vệ quá áp sẽ ngừng quá trình nạp cho ác qui khi điện áp nạp cho ác qui lớn hơn điện áp nạp định múc 10% - Điện áp phản hồi Uphu lấy từ điện trở R23,đ−ợc so sánh với điện áp UđặtVR7 đặt ở VR7 - Khi điện áp nạp tăng quá giá trị định mức 10% thì điện áp Uphu cũng tăng t−ơng ứng 10% Nên ta đặt UđặtVR7 =1,1.6= 6,6 V - Khi Uphu≥UđặtVR7 (tức là Un≥110%Unđm ) đầu ra của OA9 là d−ơng (+) đặt lên bazo của T3 ,làm T3thông .Dòng điện từ nguồn E qua rơle RH qua T3 về đất , làm rơle tác động ,tiếp điểm th−ờng đóng đ−ợc mở làm cho mạch điều khiển tác động ,làm ác qui đ−ợc cắt khỏi mạch lực Khi Uphu <UđặtVR7,t−ơng tự rơle không tác động,ác qui đ−ợc nạp bình th−ờng Chọn loại có tự trở về sau một thời gian nhất định(rơle nhiệt ) UđặtVR7=6,6V⇔ E. 77 31 VR VR R+ =6,6 ⇒VR7=1,22R31 Chon VR7 loại 50k Ω ,đặt ở giá trị 30kΩ ,chọn R31 =25kΩ Chọn R32=R33=10kΩ Trang 40 T Time (s) 0.00 10.00m 20.00m 30.00m 40.00m Axis label -50.00 50.00 U1 -20.00 20.00 U2 1.00 10.00 U3 -20.00 20.00 U4 -10.00 20.00 U5 -1.00 7.00 U6 0.00 4.00 U7 -300.00m 900.00m Sơ đồ hoạt động của mạch điều khiển Trang 41 -+ + + N1 N2N3 - ++ -+ + -+ + & N1 N2 N1 N2 N3 N1 N2N3 N1 N2 & - ++ - ++ - ++ - ++ 1 tt - + → - ++ VR2 E +E -E R4 +E -E E OA3 D4 D5 D6 R10 R11 R12 C2 C3 R13 T1 T2 E +E -E R3 OA1 OA2 DZ R5 D3 D1 D2 OA4 R1 VR1 Udf U0 R15 Z2 E -E C1 C R9 R0 R6 R7 R8 U4 Udb Uss Urc Udk D7 D8 Uand Udx BA Ug BAL T1 T2 R C R C U1 Rd Aq D4 D5 D6 R10 R11 R12 C2 C3 R13 T1 T2 E Uand Ug E Uphu VR5 VR6 E VR4 R20 R19 CM2 CM1 NOT Uphi SUN -E R28 R30 R24 R26 R27 R23 R22 R16 R17 R18 OA5 OA6 R21 R29 OA8 E -E E -E E -E OA7 R25 R15 Z2 R32 R33 R31 VR7 OA9 E -E Uphu RH T3 D7 E E D8 Trang 42 Các tài liệu tham khảo Tài liệu Tác giả Điện tử công suất Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải Trần Trọng Minh Điên tử công suất Nguyễn Bính H−ớng dẫn thiết kế mạch điện tử công suất Phạm Quốc Hải Tính toán thiết kế thiết bị điện tử công suất Trần Văn Thịnh Phân tích và giải mạch điện tử công suất Phạm Quốc Hải, D−ơng văn Nghi Kĩ thuật mạch điên tử Phạm Minh Hà Các tài liệu về ăc quy . Hà Nội , ngày 20 tháng 5 năm 2008 Sinh viên thực hiện Phạm văn Luyện Trang 43